[논문 리뷰] Reducing the Candidate Line List for Practical Integration of Switching into Power System Operation

Mohammad Majidi-Qadikolai, Ross Baldick|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 14.

Power System Reliability and Maintenance참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전력 시스템에서 전송 스위칭을 위한 후보 선로 목록을 줄이기 위한 히우리스틱 방법을 제안하며, 운영 비용 절감을 유지하면서도 계산 시간을 크게 단축시킨다. 네트워크 상태에 따라 모니터링 대상 및 스위칭 가능 선로를 동적으로 업데이트함으로써, 테스트 케이스에서 시뮬레이션 시간을 129배 이상 단축시키고 스위칭 작업을 80% 감소시켰다. 이는 스위칭을 실시간으로 전력 시스템 운영에 통합하는 데 실용적인 가능성을 열어주며, 상당한 경제적 이점을 포기하지 않는다.

ABSTRACT

Optimized operation of the transmission network is one solution to supply extra demand by more efficient use of transmission facilities, and line switching is one main tool to achieve this goal. In this paper, we add extra constraints to OPF formulation to limit the maximum number of switching operations in every hour based on network conditions, and add switching cost in the objective function to represent extra maintenance cost as a result of frequent switching. We also propose an algorithm to remove less important lines for switching in different loading conditions, so OPF with transmission switching will be solved faster for real-time operation. It is applied to a case study with several operation hours.

연구 동기 및 목표

• 보호 시스템 제약 조건과 유지보수 비용으로 인해 빈번한 스위칭이 실시간 전력 시스템 운영에서 비현실적이라는 문제를 해결하기 위해.
• 대규모 시스템에서 전송 스위칭 최적화의 계산 부담을 후보 선로 목록을 제한함으로써 줄이기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 제약 조건과 히우리스틱 선로 선택을 통해 스위칭 수를 최소화하면서도 경제적 이점을 유지하기 위해.
• 스위칭 빈도와 비용을 OPF 설정에 통합함으로써 실시간 전송 스위칭의 실용적 구현을 가능하게 하기 위해.
• 현실적인 시스템 조건 하에서 전송 스위칭 계획에서 최적성과 계산 효율성 사이의 트레이드오프를 평가하기 위해.

제안 방법

• 시스템 로딩 조건에 따라 시간당 최대 스위칭 작업 수를 제한하는 추가 제약 조건을 도입한다.
• 목적 함수에 시간당 스위칭 비용을 포함시켜 빈번한 스위칭을 처벌하고 유지보수 비용을 반영한다.
• 전력 전송 분배 계수(PTDF)와 선로 흐름 민감도를 기반으로 보다 중요도가 낮은 선로를 식별하고 제외함으로써 동적으로 축소된 후보 선로 목록(SLL)을 생성하는 히우리스틱을 제안한다.
• 다양한 로딩 상태에서 시스템 안정성과 혼잡도와 가장 관련이 깊은 선로에 집중하기 위해 시간에 따라 변화하는 모니터링 선로 목록(MLL)을 활용한다.
• 보안 제약 최적 전력 흐름(OPF) 프레임워크 내에서 각 시간 간격마다 후보 집합을 업데이트한다.
• 이중 단계 접근법을 사용한다: 첫 번째로 모든 선로를 포함한 전체 문제를 풀고, 두 번째로 축소된 SLL을 사용하여 재해결함으로써 최적성 손실을 최소화하면서도 계산 속도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운영 비용 절감에 크게 영향을 주지 않으면서도 스위칭 작업 수를 줄일 수 있는가?
• RQ2 실시간 전송 스위칭에서 계산 효율성을 향상시키기 위해 동적으로 후보 선로 목록을 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ3 전송 스위칭 최적화에서 축소된 선로 목록을 사용할 경우, 해의 최적성과 계산 시간 사이의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 다시간 스케줄링 프레임워크 내에서 비용 모델링과 운영 제약 조건을 통해 스위칭 빈도를 어느 정도 통제할 수 있는가?
• RQ5 제안된 방법이 대규모 전력 시스템에서 실시간 전송 스위칭의 실용적 구현을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 13버스 시스템에서 제안된 방법은 시뮬레이션 시간을 271.67초에서 2.1초로 단축시켜 129배 향상되었고, 스위칭 작업은 80% 감소시켰다.
• 최적 해와 비교해 0.0118%의 추가 운영 비용을 기록했으며, 총 스위칭 이벤트는 144% 감소했다.
• 축소된 ERCOT 시스템에서 시뮬레이션 시간은 2일 이상에서 33분으로 감소했고, 스위칭 작업은 308건에서 23건으로 1239% 감소했다.
• 제약 조건으로 인한 2.1%의 추가 비용을 고려해도 순 운영 비용 절감률이 3%를 유지해 강력한 경제적 타당성을 입증했다.
• 업데이트된 스위칭 선로 목록(SLLu)의 크기는 시간에 따라 동적으로 변했으며, ERCOT 사례에서 427개에서 최소 63개로 감소해 문제 크기를 크게 줄였다.
• 시간에 따라 변화하는 MLL과 SLL의 사용은 비핵심 선로를 효과적으로 제거했으며, 소규모 및 대규모 시스템 모두에서 유용함을 입증했다.